全球智能公共交通系统取得显著成果

（一）智能公共交通系统概念

智能公共交通系统（Advanced Public Transportation System，APTS）是ITS重要的子系统之一，是在公交网络分配、公交调度等关键基础理论研究的基础上，利用系统工程理论和方法，将现代通信、信息、电子控制、计算机、网络、全球定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS）等高科技集成应用于公交管理系统，并通过建立公交智能化管理系统，实现公交调度、运营、管理的信息化和智能化，为出行者提供更加安全、舒适、便捷的公共交通服务。

智能公共交通系统一般需要满足以下功能要求：运用车载数据采集技术，实现对运营车辆的监视；运用有效策略使晚点车辆恢复正常运营；运用当前的操作数据及其他数据来源编制运营管理计划；要求应答系统为乘客提供个人出行服务；提供安全协调监控与紧急救援服务系统的接口；综合运用历史数据及其他因素规定司售人员的活动；编制运营车辆的维修计划并为修理人员进行工作分配；实现车内收费或路边收费；为乘客提供车辆运营信息及可达车辆信息。

（二）智能公共交通系统发展状况

自20世纪80年代以来，世界上许多国家公共交通部门开始应用先进的信息与通信技术进行公交车辆定位、车辆监控、自动驾驶、计算机辅助调度及提供各种公共交通信息，以提高公交服务水平。美国、日本、加拿大、英国、法国、韩国等国家都投入了大量的人力、物力从事智能公共交通系统的研究，并取得了显著的成果。

1.美国

1998年，美国运输部联邦公共交通管理局（FTA）出版了《APTS发展状况》，美国APTS的主要研究基于动态公共交通信息的实时调度理论和实时信息发布理论，以及使用先进的电子、通信技术，以提高公共效率和服务水平的实施技术。具体包括车队管理、出行者信息、电子收费和交通需求管理等几方面的研究。其中，车队管理主要研究通信系统、地理信息系统、自动车辆定位系统、自动乘客计数、公交运营软件和交通信号优先。出行者信息主要研究出行前、在途信息服务系统和多种出行方式接驳信息服务系统。经过现场试验，关于APTS的评价是“可以显著提高公共交通服务水平，吸引更多乘客采用公交和合伙乘车的出行模式，从而带来减少了交通拥挤、空气污染和能源消耗等一系列社会效益”。

2.日本

日本从20世纪70年代末开始应用公共汽车定位系统——公共汽车接近显示系统。到了80年代初，开始应用公共交通运行管理系统。其中包括乘客自动统计、运行监视和运行控制等功能。进入90年代，受机动车数量的增长和严重的交通拥挤的影响，已很难保持正常的行车速度，导致公交乘客数量的急剧减少。对此，东京都交通局开发了城市公共交通综合运输控制系统（CTCS），旨在改进公共汽车服务，重新赢得乘客。在CTCS中，公共交通运营管理系统是一个基本的框架，其目的是通过掌握运行情况以及积累乘客数据，实现精确、平稳的公共交通运营服务。它将运营中的公共汽车和控制室之间建立信息交换，并引用诱导和双向通信的方法，将服务信息提供给公共汽车运营人员和驾驶人员。同时，这些信息也通过进站汽车指示系统和公交与铁路接驳信息系统提供给乘客。公共交通综合管理系统包括累计运营数据、乘客技术、监视和控制公共汽车运营和乘客服务等功能。1996年7月，日本国家警卫厅、通商产业省、交通运输省、邮电通信省、建设省等五家政府部门合作制定了《推进智能交通系统（ITS）整体构思》（Comprehensive Plan for ITS in Japan），道路—交通—车辆智能化推进协会（VERTIS）进行了总体设计，确定日本的APTS系统主要包括收集公共交通设施运行状况，实施公共交通优先通行措施。此外，通过向公共交通经营者提供基础数据，强化经营管理效率。通过向公共交通参与者提供公共交通信息，提高便捷性，进而促进公共交通利用率。

3.欧洲

欧洲许多国家从城市实际情况出发，通过实施公交优先政策，设立公交专用道，为公交车提供优先通行信号，布设智能公交监控与调度系统等措施，提高公交车辆运行速度和公交服务质量，以吸引公众乘坐公交车出行，从而有效地缓解城市交通压力，解决城市交通问题，并取得了明显的经济、社会和生态效益。

4.国内

近年来，我国许多城市的公共交通系统越来越重视智能化发展。上海地铁安装了自动检票系统，可实现乘客的自动计数，统计客流变化情况。还有一些城市实施了公交“一卡通”，实现了公交电子收费。上海、北京等大城市也已在部分公交线路上建成公交车辆跟踪调度系统，并安装了电子站牌、车载GPS定位设备，实现了对车辆的实时跟踪和定位、公交车与调度室的双向通信，以及电子站牌实时显示车辆位置信息等功能。上述功能使得调度过程有据可依，并实现了计算机辅助管理，提高了车辆运行正点率和服务水平，吸引了大量客流。这些系统的使用使我国迈进了公交智能化时代。

从发展历程来看，早在“九五”期间，北京、上海等城市开始小规模地在公交车上安装GPS设备，试验有车辆定位功能的调度系统。科技部在“十五”期间设立了“十五”国家科技攻关重大专项“智能交通系统（ITS）关键技术开发和示范工程”。其中，课题四即为城市公共交通系统优化技术研究。“十一五”期间，智能化信息采集与处理技术、公共交通IC卡系统技术、卫星定位技术、智能公共交通调度与信号控制技术、可视化查询系统、应急救援技术等新技术和科技创新成果，在城市公共交通领域得到应用。2012年出台的《交通运输“十二五”发展规划》指出，要提高城市客运信息化和智能化水平，“发展面向不同层级政府部门的客运管理信息系统，建立面向公众的客运信息服务体系，初步实现向社会提供全方位、多方式、跨地区的一站式客运信息查询服务。建设以中心城市为节点的国家级城市公共交通运行状态数据中心。发展包括城市公共交通在内的公共客运综合信息平台，支撑对多种交通方式的信息查询、应急保障、综合调度及动态监控等功能”。

2016年，交通运输部出台《城市公共交通“十三五”发展纲要》指出，“深化城市公交智能化应用示范工程，加快推进城市公交信息资源的深度开发和综合利用，为管理部门和运营企业科学决策提供支撑。到2020年，城区常住人口100万以上的城市全面建成城市公共交通运营调度管理系统、安全监控系统、应急处置系统。建设全面、可感知的城市公交数据采集系统，完善信息统计上报制度，加快建立部、省、市联动的城市公交数据资源交换体系与机制，建设部级城市公交数据库和城市公交发展水平绩效评价系统，实现对全国重点城市公交发展水平的定期评价。鼓励以中心城市为节点，建设区域级公交智能调度与服务云平台系统”。这一系列政策措施，将推动我国智能公共交通系统的建设和发展。

（三）智能公共交通系统结构

1.智能公共交通系统的构成

智能公共交通系统是运用系统工程理论，将GPS定位技术、GIS及地图匹配技术、公交运营优化与评价技术、计算机网络技术、数据库技术、通信技术、电子技术、智能卡技术等先进技术科学集成，形成智能调度、拥堵治理、应急管理、电子收费、信息服务、网络通信于一体的先进的公共交通管理系统。其具体构成如图1-9所示（吴忠等，2013）。

图1-9　智能公共交通系统的构成

从系统的角度来看，智能公共交通系统是城市智能运输系统的一个关键组成部分。它与其他系统都有着密切的联系，分工协作，从不同的角度共同解决城市交通问题。例如，智能公共交通系统从交通管理与控制系统获取交通流量、路段占有率数据，用于实时的公交车辆调度，或通过与城市交通信号控制系统有效配合，实现公交车辆的信号优先等。因此，智能公共交通系统绝不是一个孤立的系统，而是一个开放的、与其他系统有着广泛信息共享的系统。

2.智能公共交通系统的业务功能

（1）数据采集

智能公共交通系统的基础是准确、及时地获取各种数据信息。从数据获取频率来看，智能公共交通系统所需数据可分为静态数据及动态数据两类。静态数据通常是指与公共交通基础设施相关的数据，例如，公交线路所经站点（位置）数据、公交站点数量、公交专用道数量等。此类数据短期内不会发生变化，实时更新的要求不高。动态数据则是指公交系统中随时间的变化不断变化，需要动态采集、更新、处理的数据，例如，公交站点的客流量、车辆实时速度信息、交叉口信号控制方案等。动态数据中，最重要的是车辆位置信息、速度、站点间运行时间和客流量等。数据采集技术可分为自动采集和非自动采集，非自动采集技术需要人工干预，才能完成交通信息的采集，而自动采集技术主要依靠采集设备自动感知实现数据采集。

（2）数据挖掘

在智能公交系统数据采集的基础上，对采集的各种数据进行挖掘，并实现对公交运营态势的识别、控制和评价，是智能公共交通系统的重要功能。

空间数据挖掘（Spatial Data Mining，SDM），是指从空间数据库中抽取隐含的知识、空间关系或非显式地存储在空间数据库中有意义的特征或模式。这种技术可用于理解空间数据、发现空间与非空间数据间的关系、构建空间知识库、优化查询、重组空间数据库和获取简明的总体特征。公交运营数据具有明显的空间特征，公交运营空间数据挖掘就是运用空间数据挖掘的相关方法，从公交运营空间数据库中挖掘出公交运营规律。

基于粗糙集（Rough Set，RS）方法的空间数据挖掘是智能公共交通系统平台的重要方法。在系统采集到公交运营数据后，通过RS方法，能够在数据预处理阶段，经过简约化处理，对公交运营状况进行有价值的预测和评价。

（3）智能调度

智能调度系统以电子地图、卫星定位、移动通信等技术为基础，通过实时采集公交运营车辆的位置和状态等信息，结合公交企业车辆运营计划的自动编排与执行，实现车辆运行状态的实时可视监控和运营线路车辆的实时调度指挥，为公交企业的运行管理提供精确的数字化管理和考核手段，提高公交企业的运营效益和服务水平。智能调度包含以下内容：公交线路与站点信息的设计、生成与管理，线路运营调度计划的设计、生成与管理，车辆与司机排班计划的设计、生成与管理，车辆卫星定位实时跟踪与监控，车辆运行轨迹记录与回放，多数据源无线实时数据传输，超速、下线、非准点等多种非正常运行报警，调度信息发布和语音通话管理，图形化GIS现场调度工作平台，智能调度与人工指挥支持系统，车辆运营趟次、运营准点率、运营里程与非运营里程的综合统计分析，公交线网规划、运营调度计划优化决策分析等。

（4）拥堵治理

公共交通系统是常见的非合作系统之一，系统包含了众多的分散决策者。他们以各自的目标和行为进行决策，并不考虑系统的总目标。而这种分散决策产生的聚集效应往往会对系统产生影响，进而又影响到所有分散决策者的决策依据（环境）。通过对均衡系统的控制来改善交通拥堵状况有多种方法。其中，道路拥堵收费是解决交通堵塞、降低废气排放、改善环境的有效手段之一。

（5）应急管理

公共交通突发事件是指由自然、社会或人为因素引发的，造成或可能造成水路、公路，以及重要运输枢纽出现中断、阻塞、重大人员伤亡、重大财产损失、生态环境破坏和严重社会危害，危及社会公共交通安全的紧急事件。面对城市交通进行应急管理，主要通过对城市交通工程设施的运用和各种现代技术、交通规章制度的要求，合理地引导、限制和组织交通流。按照交通发展的要求，合理设置道路交通基础设施，从城市交通应急管理的角度出发，加强城市交通安全教育，对于交通突发事故防患于未然，以保障城市交通快速、安全、舒适、畅通。

（6）信息服务

智能公共交通信息服务子系统，通过媒体将公交信息发布出去，使公交出行者可以方便地获得这些信息，从而吸引公交出行。在信息服务子系统中，首先要对数据采集子系统获取的数据进行分析和处理，处理过程包括对公交车辆运行速度的计算，对公交车辆下站到达时间的预测，对公交车辆突发事件的判断，以及提供紧急救援方案等。乘客在出行前可通过互联网、个人通信设备等获取准确及时的线路运行信息，并可以根据这些信息进行决策，选择出行路线和出行时间。在站台上，可以获取公交车辆的运行信息及其他基础信息，包括下辆到站公交车的车号、离站距离、到站时间、换乘信息和车辆实载率等信息。在车辆行驶途中，乘客还可以获取实时车辆到离信息、到站时间、换乘信息等。

3.智能公共交通系统实施的关键技术

智能公共交通系统的核心是实现交通数据采集与处理、通信与传输、分析与挖掘、交换与共享、存储与发布等服务。经过多年建设实践，面向服务的体系结构SOA应运而生，它包含运行环境、编程模型、构架风格和相关方法论等在内的一整套分布式软件系统架构方法和环境，涵盖服务的整个生命周期，可以极大地方便和促进智能公共交通系统的构建。XML与Web Service，是实现SOA的重要技术手段。

（1）SOA

1996年，Gartner提出面向服务架构（Services Oriented Architecture，SOA）概念。SOA的核心是致力于实现服务与技术的完全分离，从而达到服务的可重用性。SOA是以服务为基础的整合设计架构，服务是SOA的关键。W3C将服务定义为：服务提供者完成一组工作，为服务请求者交付所需的最终成果。最终成果通常是使用者的状态发生变化，但也可能是提供者的状态改变，或者双方都产生变化。从技术角度上说，SOA中的服务是封装业务流程的、可供远程访问的、独立的、位置透明的、可重用的应用程序模块。一个服务包含一个合约、一个或多个接口，以及一个实现，其中，服务合约提供了一个信息规范，说明服务的作用、功能、约束和使用。一个服务可以拥有一个或多个接口，每个接口都能在服务合约中找到它的接口描述，服务请求者通过服务接口可直接获得服务的功能。服务实现包含业务逻辑和数据，表示了服务合约技术上的实现。

（2）XML(www.xing528.com)

XML是由W3C设计、特别为Web应用服务的标准通用标记语言（Standard Generalized Markup Language，SGML）的一个重要分支。作为一种标记语言，XML标准是由一系列规范组成的，主要包括XML、可扩展样式表语言（XSL）、文档对象模型（DOM）及文档类型定义（DTD）等。其主要特性如下：可扩展性——XML由若干规则组成。这些规则可用于创建标记语言，并能用一种简明程序处理所有新创建的标记语言。XML能够增加结构和语义信息，可使计算机即时处理多种形式的信息。开放性——XML的开放性主要表现为平台无关性。任何平台与应用程序，都可以通过XML解释器使用编程的方法来载入一个XML的文档，当文档被载入后，用户可通过XML文件对象模型来获取和操纵整个文档的信息。高效性——XML提供了一个独立的应用程序的方法来共享数据，应用程序可以使用标准的DTD来验证数据是否有效。XML格式的数据文件既能通过网络传送到其他应用软件、对象或中间服务器做进一步处理，亦可有浏览器进行浏览。它为灵活的分布式应用软件的开发提供了支持。国际化——标准国际化，且支持世界上大多数文字。XML不仅能在不同的计算机系统之间交换信息，而且能跨国界和文化进行信息交换。

（3）Web Service

Web Service是面向服务架构的具体实现，是松耦合的、可复用的软件模块。它能够创建服务的抽象定义、提供服务的具体实现、发布并查找服务、实现服务实例选择，并实现可互操作服务的使用，从而实现从简单的请求到复杂业务逻辑处理的松散集成。

Web Service服务体系结构中包含三个角色：服务提供者（Service Provider）——从供应链的角度看，这是服务的所有者；服务请求者（Service Requestor）——从供应链的角度看，这是要求满足特定功能的企业；服务注册中心（Service Register）——这是可搜索的服务描述注册中心，服务提供者在此发布其服务描述。

Web Service的各个角色间通过通用描述、发现与集成服务（Universal Description，Discovery and Integration，UDDI）实现三个基本功能：发布（Publish）——Web Service供应商如何注册自己；查找（Find）——应用程序如何查找特定的Web Service；绑定（Bind）——在找到Web Service后，应用程序如何与之连接和交互。Web Service体系架构的基本原理，如图1-10所示（吴忠等，2013）。

图1-10　Web Service体系架构的基本原理

（四）智能公共交通系统技术与应用

1.数据采集技术

交通信息采集技术是指能够连续提供地点或区间交通信息的各种技术手段，一般分为自动和非自动两种方式。非自动采集技术的主要特点是需要人工干预才能完成交通信息的采集，例如，人工采集法、试验车移动调查等。自动采集技术的主要特点是，完全依靠采集设备自动感知道路使用者的通过或存在，实现对交通信息的全方位、实时的采集。

一般而言，常用采集技术与方法主要有以下几种：

（1）感应线圈

基于感应线圈的信息采集系统是一种基于电磁感应原理的车辆信息采集技术。当车辆通过埋设在路面下的线圈时，会引起线圈回路电感量的变化，检测器检测出变化量就可以获知车辆的存在，从而达到信息采集的目的。该技术能够采集的信息包括车流量、占有率、车速和车头时距。

（2）视频检测

通过视频检测器对所检测区域的背景图像灰度值进行统计。根据检测目的设定阈值，实时采集到的视频图像经过处理与分析得到当前图像的灰度阈值，与设定的阈值相比较，并结合计数器、时钟等设备，获得所需的交通量、车速等参数。通常，视频交通采集系统由视频交通检测器、摄像机、通信模块等构成。

（3）微波雷达

微波雷达是一种工作在微波频段的雷达探测器。它向行驶的车辆发射调频微波，波束被车辆阻挡而发生反射，反射波通过多普勒效应使频率发生偏移。根据这种频率的偏移可检测出有车辆通过，经过接收、处理、鉴频放大后输出检测信号，从而达到检测道路交通参数的目的，主要应用于车速测量。

（4）超声波检测技术

超声波检测信息采集系统是一种在高速公路上应用较多的采集系统。它利用车辆形状对超声波的影响，来实现交通信息的采集。其原理是将超声波分割成脉冲射向路面并接收其反射波，当有车辆时，超声波会受到车辆影响提前返回，从而表明车辆存在或通过。

（5）红外线

红外线检测包括主动和被动两种类型。主动红外检测发射具有一定能量的红外线，该红外线被经过检测区域的车辆反射，随后传感器接收反射后的红外线，对实时信号进行处理，确定交通量、车速等参数。被动红外检测利用传感器接收检测区域车辆本身辐射的红外线，根据接收能量的变化来检测交通参数。

（6）GPS数据采集

利用车载GPS设备，以一定的采样间隔记录车辆的三维坐标、车速、时间等数据，并将数据传输至数据处理服务器，经与GIS匹配，分析处理后获得特定路段的行程时间和行程速度，以及出行率等交通参数。

（7）电子标签数据采集

利用路侧的信标和车载电子标签，通过比较同一个电子标签通过相邻两个信标的时间，即可确定车辆在该路段上的行程时间与行程速度。若在给定的时段有多辆车经过该路段，还可获得该路段的平均行程时间和平均行程速度。

（8）牌照识别数据采集

牌照识别是计算机模式识别技术在交通信息采集中的应用，可以采集车辆的行程时间、行程速度等参数。通常而言，牌照识别数据采集系统由数据处理中心、牌照识别装置、照明光源和通信传输设备构成。

（9）声学检测

声学检测器检测来自车辆内部和车辆轮胎与地面接触等多个来源的声音信号，可检测车辆通过、车辆出现、车速等交通参数。

（10）磁力检测

磁力检测器通过检测磁场强度的异常来确定车辆出现，是被动接收设备。当车辆靠近或通过磁力线圈时，穿过线圈的磁场发生变化，即可检测车辆信息。该方法对流量的检测精度较高。

2.定位技术

定位技术是智能公共交通系统的核心技术之一。为了实现对公交车辆的实时跟踪和实时调度，必须精确可靠地获得车辆的位置。公交车辆定位系统通过定位技术，确定车辆在线路上的运行状态，并通过通信系统将车辆位置、车辆运行状态等信息，发送回调度中心，从而使公交运营企业可以实时获得公交网络中车辆的状况，并可依据实际情况发布实时的调度指令。同时，公交车辆定位信息还是对公交车辆在站点间行驶时间进行预测的基础数据。

目前，常用的定位技术主要有全球卫星定位系统（GPS）、北斗卫星定位系统、欧洲的伽利略卫星定位系统、俄罗斯的Glonass系统、无线电定位系统等。GPS有单机定位和相对定位两种，其中，单机单次定位精度在30米以内，在汽车导航领域应用广泛；相对定位是借助于已知地面点进行差分运算，可以获得厘米级的定位精度，在测量领域应用较多。当前，已经有很多城市在公共汽车和出租车上装有GPS，实现了车辆的定位跟踪，并将公共汽车到站信息在相应站点进行发布，成为智能公共交通系统的重要组成部分。

3.地理信息系统

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是一种采集、存储、管理、分析、表达和应用地理信息的计算机系统。它是以地理空间数据为基础，在计算机软、硬件支持下，对空间数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究、综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立的计算机应用系统。在地理信息系统中，现实世界由空间数据和非空间的属性数据进行描述。智能公共交通系统的线网布局、人口分布、道路网布局等信息都需要地理信息系统的支持和实现。

4.无线通信技术

智能公共交通系统的核心实际上是如何快速、准确、高效地获取和处理相关信息，而信息的获取和传输都离不开通信技术。通信技术和地理信息系统一样，为智能公共交通系统的实现提供了基础平台。智能公共交通系统所需信息（从交通控制中心获取的实时流量信息、调度中心发布的调度指令、公交车辆回传信息、实时客流量信息等），一般都是通过无线通信技术来完成信息传输的工作。从交通信息传输方式和通信范围角度来分，可将智能公共交通系统中的无线通信技术划分为广域无线通信技术和局域无线通信技术。其中，广域无线通信技术主要包括副通道调频广播、蜂窝式数字分组数据（Cellular Digital Packet Data，CDPD）、GSM/GPRS技术和IMT-2000技术等。局域无线通信技术主要包括专用短程通信（Dedicated Short Range Communications，DSRC）技术和陆地移动访问通信（Communication Access for Land Mobiles，CALM）技术。

5.IC卡自动收费技术

公交IC卡自动收费系统可记录乘客使用IC卡的时间、车次、站点信息等。这些信息真实、准确地反映了城市居民的公交出行情况，是进行公交客流数据实时采集和对未来预测的重要数据来源之一。通过对IC卡数据进行统计分析，能够得到公交出行的评价数据，包括平均出行次数、起讫点分布、平均换乘次数、出行时耗和出行距离等数据。